牛糞生物炭的研究進展與展望

吳來榮 劉永德

摘要：指出了中國養牛業尤其是奶牛業發展迅猛，高度規模化養殖過程中產生了大量牛糞，這些牛糞若不能得到妥善的處理將嚴重影響養殖場及其周邊地區的空氣、水體以及土壤等生態環境。如果將這些牛糞在厭氧條件下熱解得生物炭，可避免生物質燃燒，從而減少二氧化碳的釋放。基于此，總結了牛糞生物炭的研究現狀，并在此基礎上了展望了其發展前景。

關鍵詞：牛糞;生物炭;研究現狀：發展前景

中圖分類號：X705

文獻標識碼：A

文章編號：1674-9944（2018）14-0243-02

1 引言

牛糞是一種可再生生物質原料，牛糞中各組分的含量不同于其它秸稈類生物質。近幾年，國內學者采用熱化學的方法處理牛糞并將其制成生物炭，研究表明熱化學方法處理牛糞是一條具有環境和經濟雙重效益的有效途徑。國外學者也對牛糞生物炭的制備條件以及應用進行了大量研究。

2牛糞生物炭的性質

牛糞生物炭是牛糞在無氧或者缺氧的條件下，經過高溫熱解（一般溫度<700℃）炭化產生的一種具有高度芳香化的難熔性物質。牛糞生物炭主要由C、H、O、N、P元素組成，還含有少量的Mn、Zn、Cu等微量元素;生物炭的含炭量一般達到70%以上，并且具有高度芳香化結構，含有大量的官能團結構（羥基、羧基、羰基等），這些性質使生物炭具有良好的吸附性能和穩定性。

3牛糞生物炭的研究進展

3.1 牛糞生物炭對水中氨氮的吸附特性

馬峰峰等以牛糞生物炭為吸附劑，研究了pH值、粒徑、投加量、溫度和共存陽離子等因素對牛糞生物炭吸附氨氮的影響及吸附特性。結果表明：共存陽離子Na⁺、Ca²⁺的存在對牛糞生物炭吸附氨氮有抑制作用，在Na⁺、Ca²⁺濃度相同條件下對氨氮吸附影響大小順序為Na⁺>Ca²⁺;牛糞生物炭吸附氨氮的最佳初始pH值應在5～8范圍;通過對動力學數據進行分析，發現準二級動力學方程（R²=0. 9673）比準一級動力學方程（R²=0. 7659）和Elovich方程（R²=0. 7249）能更好地擬合動力學數據，顆粒內擴散方程擬合結果發現牛糞生物炭對氨氮的吸附包括表面吸附和顆粒內擴散兩個過程.吸附等溫線擬合發現Freundlich方程（R²=0. 9762）能很好地描述氨氮在牛糞生物炭上的吸附行為.吉布斯自由能變化（△G）、焓變（△H）和熵變（△S）的計算結果表明，牛糞生物炭對氨氮的吸附是自發的吸熱過程.

3.2 牛糞生物炭對重金屬的吸附特性

王丹丹等為了考察以牛糞為原料制備的生物炭對水溶液中Cd²⁺的吸附效果，進行了吸附影響因素、吸附等溫線和動力學研究。結果表明，當熱解溫度為700℃、投加量為20 g/l，、溶液初始pH值為5、水溶液Cd²⁺初始濃度為10 mg/L、吸附平衡時間為60 min和溶液溫度為25℃時，對Cd²⁺的吸附效果最佳，Cd²⁺去除率町達99%以上。提高溶液溫度有利于吸附。降低生物炭熱解溫度和投加量對吸附效果影響不人。Langmuir方程能更好地擬合生物炭對Cd²⁺的吸附等溫過程，吸附過程符合準二級動力學方程。牛糞生物炭是性能優良、價格經濟的水溶液中Cd²⁺的吸附劑。

3.3牛糞生物炭在土壤修復中的應用

王丹丹等為了探討以牛糞為原材料制備的生物炭對重金屬鎘污染土壤的鈍化修復作用，采用人工模擬重金屬鎘污染上壤進行盆栽試驗，研究分別添加在低溫300℃和高溫700℃條件下制備的牛糞生物炭，對重金屬鎘污染土壤pH值、鎘含量、鎘形態及供試作物中鎘含量的影響。結果顯示：高溫700℃制備的生物炭效果好于低溫300℃，與對照值（CK）相比，當兩種牛糞生物炭添加量為10 g/kg時處理效果最佳，土壤pH值、鎘含量依次升高0.2和0.1、42. 2%和21. 84%，供試作物中鎘含量降低了71. 59%和51. 22%，酸可提取態鎘降低了21. 69%和22. 89%，殘渣態鎘含量升高了51. 59%和77. 71%;牛糞生物炭添加量為2.5g/kg時，Fe- Mn氧化結合態鎘、有機結合態鎘含量降幅最大，分別為21.88%和14. 06%、31. 82%和12. 12%。牛糞生物炭對重金屬鎘污染土壤具有良好的鈍化修復效果。

3.4牛糞生物炭在堆肥中的應用

謝振心等為研究生物炭對玉米秸稈堆肥中酶活性的影響，試驗選用3%蔗渣生物質炭（B）、3%小麥秸稈炭（W）、10%濾泥（L）、10%牛糞（N）及它們的不同組合為調理劑進行玉米秸稈堆肥處理。分別在堆后20 d、60 d和110 d測定堆肥中的脲酶、中性磷酸酶和轉化酶活性。在堆肥前期，BLN處理中性磷酸酶活性較B處理提高了40. 72%～44. 29%，WLN處理較W處理提高了7.7 6%～17.15%;堆肥結束時，BL、BN和BLN脲酶活性較B處理分別降低67. 23%、51. 81%和47. 94%，WL、WN和WL＼r較W處理降低7.14%～48. 21%。與B相比，BL、BN和BI，N轉化酶活性提高34. 18%、100. 38%和47. 43%;與W相比，WL、WN和WLN轉化酶活性提高了8.89% ～22. 35%。因此，添加B和W可使堆肥脲酶活性增加，添加BLN和WLN使得堆肥中性磷酸酶和轉化酶活性均升高，表明生物炭是提高堆肥酶活性的適宜調理劑。

4牛糞生物炭的前景展望

總結前人的研究結果可以發現，關于牛糞生物炭的研究熱點主要集中于用作吸附劑去除水中的無機污染物，不管是對氨氮還是重金屬，均有較好的去除效果;將牛糞生物炭添加到土壤中，能有效鈍化其中的重金屬鎘，起到良好的修復效果;亦或者將其應用于堆肥中，能顯著提高堆肥中酶的活性。因此，牛糞生物炭在環境污染修復中具有良好的應用前景。